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    台达工业用UPS电源解决方案———台达工业用UPS电源解决方案

    2011-07-18 中达电通股份有限公司

    第一章  用户需求
    1.1 用户需求分析
            本次UPS供电系统建设主要是为工厂内的产线生产设备供电,因产线几秒钟的断电也会让用户蒙受很大的损失,因此需要提供高可靠的供电电源方案。
    1、通过与工厂相关部门沟通,我们了解到:
    A、产线设备主要为数控机床,单台机床设备为380V供电,额定电流为3A;
    B、工厂分为三个厂房,共有上述机床设备1000台左右,每个厂房的机床数量按330台左右配置;
    C、工厂配有发电机组。UPS后备延时时间按10分钟配置。
    D、有一定的冗余度,以保证高可靠的用电保障。

     2、根据以上信息,计算得:
    A、单台数控机床功率为: 380*3*1.732=1974.48KVA。
    B、故厂房数控机床总功率为:1974.48*1000=1974.48KVA。
    C、所有负载差不多平均分为3个厂房,故每个厂房负载量为:1974.48/3=658.16KW。  
    3、UPS配置方案设计原则——适合、够用,避免浪费和不必要的成本提升
    A、根据实际经验,在正常生产中产线设备的实际功率约为标称值的60%左右。即以上负载实际使用时负载量约为1974.48*80%≈1600KVA。故每个厂房负载约为530KVA。我们会以此负载量来配置UPS,做到为客户配置合适、够用的UPS,尽量避免UPS容量配置过大,造成浪费和成本的提升。
    B、UPS的容量选择主要是由负载的大小,负载的特性以及预留容量的大小来确定的。通常考虑的因数是:
    首先,UPS的容量必须大于所带负载的总容量;
    其次,不同特性的负载对UPS的容量要求也不同.如负载接近电阻特性,输入功率因子大于UPS的输出功率因子(一般为0.7-0.8),则按 UPS的输出功率因子来计算;如负载的输入功率因子小于UPS的输出功率因子,则按负载的输入功率因子来计算。
    第三,为保证UPS长期稳定地运行,负载容量一般不超过UPS容量的80%, 并且新装UPS一般还要留出一定的负载扩容余量。
    第四,为了提高可靠度,可采用N+1并联冗余的方式,为负载高可靠的电力供应。即N台设备为负载提供电力供应,1台设备保证冗余度,当系统中有任意一台设备故障时,负载的电力供应还可得到保障。
    第二章 UPS电源供电方案
    2.1 UPS供电方式设计原则
    1)采用冗余供电的方式,为负载提供高可靠的电力供应。
    2)在保证可靠的前提下,避免UPS容量设计过大,造成不必要的浪费成本提升。
    3)电池采用多台UPS共用的方式,以减低电池成本,提高电池利用率。
    2.2 UPS供电方案:
    2.2.1 UPS的选择:
    1、基于前面分析和技术,可知每个厂房的实际负载功率约为530KVA 左右,我们建议UPS供电方总容量不小于530KVA。
    2、基于客户负载为数控机床,为机械马达类感性负载,对UPS的性能要求较高。故我们建议客户选择台达NT 系列UPS,此UPS单机功率为20KVA 至500KVA ,是专门设计用在大型工矿企业的高可靠工业级UPS。由于其逆变器采用全桥设计架构,具有输出隔离变压器,负载适应性最强,能适应各种负载特性的负载,且过载能力突出,可经受负载运行高峰的冲击,且可带100%不平衡负载,设备技术成熟,性能稳定可靠。最适合为企业的大型生产线提供稳定、可靠的运行保障。
    2.2.2 UPS供电方案
    每个厂房采用4台台达NT 200KVA UPS组成3+1并联冗余供电系统。即系统总容量为800KVA,可保证一台UPS做冗余备份,即当供电系统中有任意一台UPS故障时,UPS系统的输出容量任可达到600KVA ,满足负载的用电需求,负载的供电任可得到保障,从而大大提高供电可靠度。UPS供电系统图如下:

     

    电池采用多台UPS共享配置的方式,可大大提高电池的利用率,同时,还可降低电池配置成本。

    2.2.3 电池配置方案
    2.2.3.1 多机共用电池组   
             所谓共享电池组就是指两台或多台UPS同时利用一组或多组电池的解决方案。市电正常时各台UPS同时为蓄电池组充电,市电异常或者终断时,各UPS又同时利用电池组的能量逆变成交流电供给负载使用。
    多机并联共用电池组供电架构说明:

    因此共享电池组具有以下优点:
    (1)  节省购买电池的资金投资
    (2)节省安装空间  
    (3)扩容方便
    (4)延长电池寿命和提高电池利用率
    2.2.3.2 电池配置及容量计算
    经过前面的分析,我们知道实际量约为530KVA,一般厂房的数控机床设备类设备的功率因数约为0.7~0.8。为使电池延时做够,我们取负载的功率因数为0.8,则 根据恒功率电池容量计算法:
    电池容量计算方法:
    恆功率后备时间对应电池容量计算方式:
    P(W) -- 电池提供总功率   A --  UPS标称容量(VA)  N --  电池CELL 数 
    C -- 电池组数    D -- UPS实际带载量(UPS实际带载量一般不超过满载80%)
    Pf -- UPS功率因数   η  -- 逆变转换效率   Pc -- 电池放电曲线表中查的放电功率
    Pnc   --   电池每CELL需要提供的功率     B --   UPS主机配置1组12V电池的节数                      
    P(W)= { A * Pf } 或D /  η
    Pnc=P(W)/(B*N)     
    然后根据计算出电池的每个CELL需提供的功率,再查找电池恒功率放电曲线表对应时间的最匹配的功率值。则此功率对应的容量的电池就是我们要选用的电池。若计算出的功率大于最大容量电池相应时间的放电功率,则就表明需要并联电池组。
    并联电池组数(取整)= Pnc / Pc
    因此,计算如下:
    P(W)= { A * Pf*D }  /  η=530KVA*0.8/0.95≈446.3KW
    Pnc=P(W)/(B*N)=446.3KW/(29*6)≈2565W
    查表,可知,中达电池200AH/12电池10分钟对应的功率为592.9W(放电到1.75V时)
    则:并联的电池组数=2656/592.9=4.3组,故电池组数取整数为4,即200AH/12V电池29*4=116只。
    说明:以上计算中功率因数PF为0.8,UPS的逆变效率η为0.95,每组电池的颗数B为29只,每只电池的CELL 数N为6。

    2.2.3.3 电池组监控:
         电池为UPS供电系统的重要部分,故我们特为本次电池组提供单体电池监控系统。本系统能实现UPS中备用电池组的在线侦测,测量数据包括单体电池电压,单体电池温度,单体电池内阻,电池组电流,电池组端电压以及环境温度等,通过网络方式实现远距离数据传输,在主控单元上进行数据搜集,处理和存储,并能通过通讯与上位机相连,实现数据传输。
        使用本系统可以对电池进行远程检测,从而方便地随时对系统故障和电池使用状态进行分析,
    从图中可以看出系统包括:  1 个电池组侦测模块 (SCMM),负责测量每组电池组的充放电电流和电池组的端电压;最多240 个电池侦测模块 (CMM),负责测量电池的电压,温度和配合计算内阻的相关信息;1 个数据处理模块 (DPM ),处理来自CMM 和 SCMM 的无线数据。
    2.2.4 UPS监控方案
         台达UPS所设计的此次方案,采用了电力管理大师管理者的监控软件,监控软件来将三个厂房的所有UPS作集中监控。以下对此集中监控作进一步介绍。
    台达UPS UPSentry Manager远程集中监控管理软件:可以对所有的UPS系统经由广域网或专线网络进行集中监管﹐以监视各UPS的运行情况并作记录﹐当各UPS有事件告警时﹐manager软件会自动亮灯告警﹐并跳出图屏﹐显示该告警UPS的问题﹐平时也可以点阅各联网UPS,以阶层式管理方式完成集中管理,同时可以实现远程控制,当机房内出现火灾等情况时,可以实现对UPS的远程关机。如图:
    2.2.4.1 网络管理达成效果﹕
       集中管理的好处不仅是减少人力资源的浪费﹐并能在电力事件发生的瞬间便可以获得准确的信息﹐同时缩短反应的时间。一旦电力事件发生时可以马上获得最快最正确的信息﹐并可以主动联系第一线的人员﹐指导其正确地处理程序﹐以减少损失。
    (1) 安全可靠的高品质供电。
    (2) 分散供电﹐集中管理﹐人力资源的高效化。
    (3) 同时对全区多于500个的UPS集中监管。
    (4) 对UPS无人职守的监管﹐可达到实进告警﹐实时处理。
    2.2.4.2 完整电源事件预防及应急管理:
    电力管理大师对24个不同的电源事件或UPS状态(如:断电、复电、电池低电压、过载、跳旁路、故障、预约开关机等)均可提前制定应急计划和控制。<

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